Appareillage électrique d`interruption HT (partie 1)

17/09/2008
Madame, Monsieur
Dossier délivré pour
17/09/2008
Madame, Monsieur
Dossier délivré pour
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 4 690 − 1
Appareillage électrique
d’interruption HT (partie 1)
par Denis DUFOURNET
Membre Senior de la Société des électriciens et des électroniciens (SEE) et de l’Institut
américain des ingénieurs électriciens et électroniciens (IEEE)
Chef de recherches Principes de coupure ALSTOM T & D (Transmission & Distribution)
’appareillage électrique est un élément essentiel qui permet d’obtenir la pro-
tection et une exploitation sûre et ininterrompue d’un réseau à haute ten-
sion.
Son histoire est riche d’inventions diverses, de principes de coupure perfor-
mants, de technologies très variées utilisant des milieux aussi différents pour
l’isolement et la coupure que l’air à pression atmosphérique, l’huile, l’air com-
primé, l’hexafluorure de soufre et le vide. Des points communs subsistent
cependant pendant toute son évolution :
— l’amorçage d’un arc entre deux contacts, comme principe de base pour la
coupure d’un courant alternatif ;
1. Généralités................................................................................................. D 4 690 - 3
2. Classifications de l’appareillage.......................................................... — 3
2.1 Fonction........................................................................................................ — 3
2.2 Tension ......................................................................................................... — 4
2.3 Destination ................................................................................................... — 5
2.4 Installation.................................................................................................... — 5
2.5 Type de matériel .......................................................................................... — 5
2.6 Température de service............................................................................... — 5
2.7 Utilisation ..................................................................................................... — 6
2.8 Techniques de coupure ............................................................................... — 6
3. Caractérisation des appareils à courant alternatif
à haute tension......................................................................................... — 7
3.1 Caractéristiques assignées ......................................................................... — 7
3.2 Tension assignée ......................................................................................... — 8
3.3 Niveau d’isolement assigné ....................................................................... — 8
3.4 Fréquence assignée..................................................................................... — 8
3.5 Courant assigné en service continu........................................................... — 8
3.6 Courant de courte durée admissible assigné............................................ — 9
3.7 Pouvoir de coupure en court-circuit........................................................... — 9
3.8 Tension de rétablissement.......................................................................... — 11
3.9 Pouvoir de fermeture assigné..................................................................... — 14
3.10 Séquence de manœuvres assignée et refermeture rapide...................... — 14
3.11 Caractéristiques assignées pour les défauts proches en ligne................ — 15
3.12 Durée de coupure assignée ........................................................................ — 15
3.13 Pouvoir de fermeture et de coupure en discordance de phases ............. — 15
3.14 Pouvoir de coupure et de fermeture de courants capacitifs .................... — 15
3.15 Nombre de manœuvres mécaniques ........................................................ — 17
Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. D 4 698
L

17/09/2008
Madame, Monsieur
Dossier délivré pour
17/09/2008
Madame, Monsieur
Dossier délivré pour
APPAREILLAGE ÉLECTRIQUE D’INTERRUPTION HT (PARTIE 1) ___________________________________________________________________________________
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
D 4 690 − 2© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
— l’utilisation de l’énergie d’arc, pour favoriser son refroidissement et obtenir
l’interruption du courant ;
— la recherche permanente de la réduction des énergies de manœuvre, afin
de réaliser des appareils plus fiables et plus économiques ;
— la réduction des surtensions, générées pendant leur fonctionnement, grâce
à l’insertion de résistances de fermeture ou par la synchronisation des manœu-
vres par rapport à la tension.
Il est intéressant de noter que la technique de coupure par autosoufflage, qui
vient de s’imposer pour les disjoncteurs SF
6
à haute tension, avait déjà été envi-
sagée dès les années 1960. C’est grâce aux progrès importants réalisés dans le
domaine de la modélisation d’arc et de la simulation des écoulements gazeux
que l’énergie d’arc a pu être domestiquée et utilisée efficacement pour définir
des chambres de coupure à hautes performances.
Les moyens de simulation ont aussi permis d’augmenter la tension par élé-
ment de coupure, qui est passée de 145 à 420 kV en l’espace de 25 ans, sans que
la tension atteinte constitue une limite technique.
Dans cet article, on verra, dans la partie 1, les différentes classifications d’appa-
reils à haute tension (HT) et leurs caractéristiques principales. On examinera,
dans la partie 2, les principaux types de problèmes fondamentaux (coupure, dié-
lectrique, échauffement, tenue des contacts) que le concepteur doit bien maîtri-
ser pour définir un nouvel appareil.
Les essais de type, qui sont effectués pour vérifier les performances d’un appa-
reil, seront présentés dans le troisième fascicule ainsi que les autres essais indis-
pensables pour garantir que les appareils produits ont bien les performances
annoncées. Également, dans ce fascicule, on décrira la formidable évolution des
disjoncteurs à haute tension, de la technique à air comprimé à celle, actuelle, qui
utilise le SF
6
.
L’évolution de l’appareillage à haute tension n’est pas terminée ; de nouvelles
perspectives apparaissent avec l’introduction de l’électronique qui permet de
surveiller en permanence l’état d’un appareil. De nouvelles cellules sous enve-
loppe métallique et de nouveaux disjoncteurs conventionnels intègrent les
réducteurs de mesure électronique de courant et de tension qui viennent d’être
développés. Cela permet d’envisager l’intégration de la surveillance d’état et de
la commande électronique de l’appareillage dans un système totalement infor-
matisé de contrôle-commande des postes à haute tension. On connaîtra à tout
moment l’état de santé d’un appareil, ce qui facilitera l’exploitation du réseau,
améliorera la politique de maintenance et augmentera encore la fiabilité et la
disponibilité de l’appareillage.
La diversité des études à mener (électrique, mécanique, électrostatique,
magnétique, thermique, thermodynamique) donne beaucoup d’intérêt au travail
de conception et de développement de l’appareillage électrique, intérêt que
l’auteur aimerait faire partager aux lecteurs de cet article.
L’article « Appareillage électrique d’interruption à courant alternatif à haute
tension » fait l’objet de plusieurs fascicules :
D 4 690 Partie 1 : Généralités. Classifications. Caractérisation.
D 4 692 Partie 2 : Problèmes fondamentaux.
Établissement et coupure des courants.
D 4 694 Partie 3 : Présentation de l’appareillage. Essais de type et individuels.
D 4 696 Annexes.
Les sujets ne sont pas indépendants les uns des autres. Le lecteur devra assez
souvent se reporter aux autres fascicules.
L’article D 4 700 traite l’interruption des circuits alimentés en courant continu.

17/09/2008
Madame, Monsieur
Dossier délivré pour
17/09/2008
Madame, Monsieur
Dossier délivré pour
___________________________________________________________________________________ APPAREILLAGE ÉLECTRIQUE D’INTERRUPTION HT (PARTIE 1)
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 4 690 − 3
1. Généralités
L’ appareillage électrique d’interruption à haute tension
concerne les réseaux alimentés soit en courant alternatif sous des
tensions supérieures à 1 000 V, soit en courant continu sous des ten-
sions supérieures à 1 500 V.
■La parfaite maîtrise de l’énergie électrique exige de posséder
tous les moyens nécessaires à la commande et au contrôle de la cir-
culation du courant dans les circuits qui vont des centrales de pro-
duction jusqu’aux consommateurs. Cette délicate mission incombe
fondamentalement à l’appareillage électrique. Son rôle est d’assu-
rer en priorité la protection automatique de ces circuits contre tous
les incidents susceptibles d’en perturber le fonctionnement, mais
aussi d’effectuer sur commande les différentes opérations qui per-
mettent de modifier la configuration du réseau dans les conditions
normales de service.
L’appareillage électrique permet d’adapter, à chaque instant, la
structure du réseau aux besoins de ses utilisateurs, producteurs et
consommateurs d’électricité, et de préserver, totalement ou partiel-
lement, cette fonction en cas d’incident. C’est assez dire l’impor-
tance du rôle de l’appareillage électrique à haute tension pour la
manœuvre et la protection du réseau. Il faut qu’il soit disponible à
tout moment et puisse intervenir sans défaillance, au point de faire
oublier qu’il existe.
■Pour remplir ses fonctions avec fiabilité et disponibilité, il doit
posséder de nombreuses aptitudes :
— supporter des contraintes diélectriques dues à des ondes de
chocs (dues à la foudre ou à la manœuvre d’appareils) ou à des ten-
sions à fréquence industrielle ;
— assurer le passage du courant permanent ou de court-circuit,
sans échauffement excessif et sans dégradation des contacts ;
— être capable de fonctionner dans des conditions atmosphéri-
ques défavorables : à haute ou à basse température, en altitude où
la densité de l’air est plus faible, parfois sous forte pollution (pollu-
tion marine, vents de sables...) ;
— supporter des séismes avec une accélération au sol égale à
0,2
g ou 0,5 g ;
— et surtout, pour les disjoncteurs, être capable d’interrompre
tous les courants inférieurs à son pouvoir de coupure (courants de
charge et courants de court-circuit).
On exige de lui une fiabilité presque parfaite, des opérations de
maintenance légères et en nombre limité dans la mesure où ces
interventions sont à la fois coûteuses et gênantes pour l’exploita-
tion.
Depuis plus d’un siècle, de nombreuses solutions techniques ont
été conçues par les ingénieurs pour développer des appareillages
électriques toujours plus performants et plus fiables. Comme nous
le verrons, des techniques de coupure se sont imposées dans les
domaines de la moyenne et de la haute tension (respectivement
HTA et HTB). Elles ont permis d’obtenir les performances requises
avec un nombre réduit de composants, un encombrement réduit,
mais aussi avec une fiabilité qui n’a jamais cessé d’augmenter mal-
gré un accroissement des contraintes imposées par le réseau, en
particulier une augmentation des courants de court-circuit.
2. Classifications
de l’appareillage
L’appareillage peut être classé en plusieurs catégories selon :
— sa fonction ;
— sa tension ;
— sa destination ;
— son installation ;
— le type de matériel ;
— la température de service ;
— son utilisation ;
— sa technique de coupure.
2.1 Fonction
Le tableau 1 donne les symboles normalisés pour la représenta-
tion des appareils de connexion.
(0)
2.1.1 Sectionneurs
Ce sont avant tout des organes de sécurité utilisés pour ouvrir ou
fermer un circuit lorsqu’il n’est pas parcouru par un courant, et pré-
vus pour isoler, par rapport au reste du réseau, un ensemble de cir-
cuits, un appareil, une machine, une section de ligne ou de câble,
Tableau 1 – Symboles normalisés pour la représentation
des appareils de connexion
Symbole Désignation
Sectionneur
Sectionneur à deux directions
avec position d’isolement
médiane
Interrupteur
Interrupteur-sectionneur
Contacteur
Fusible dont l’extrémité
qui, après fusion, demeure
sous tension est indiquée
par un trait renforcé
Interrupteur triphasé
à ouverture automatique
par l’un quelconque des fusibles
à percuteur
Disjoncteur
Parafoudre
Varistance (parasurtenseur
à oxyde de zinc par exemple) :
1 symbole normalisé
2 symbole couramment utilisé.
U
1
2

17/09/2008
Madame, Monsieur
Dossier délivré pour
17/09/2008
Madame, Monsieur
Dossier délivré pour
APPAREILLAGE ÉLECTRIQUE D’INTERRUPTION HT (PARTIE 1) ___________________________________________________________________________________
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
D 4 690 − 4© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
afin de permettre au personnel d’exploitation d’y accéder sans dan-
ger.
En principe, les sectionneurs n’ont pas à interrompre de
courants ; cependant, certains sectionneurs peuvent être amenés à
couper des courants de transfert de barres (jusqu’à 1 600 A sous 10
à 300 V) et les sectionneurs de terre doivent être capables de couper
les courants induits qui peuvent circuler dans les circuits hors ten-
sion par couplage capacitif et inductif avec les circuits adjacents
sous tension (jusqu’à 160 A sous 20 kV).
2.1.2 Interrupteurs
Les interrupteurs sont des appareils destinés à établir et à inter-
rompre un circuit dans des conditions normales de charge. Certains
interrupteurs sont prévus pour remplir également les fonctions de
sectionneur.
Leurs performances sont limitées car, s’ils sont capables d’élimi-
ner les surcharges sur le réseau, ils ne peuvent en aucun cas inter-
rompre un courant de court-circuit.
2.1.3 Contacteurs
Les contacteurs ont un rôle comparable à celui des interrupteurs,
mais ils sont capables de fonctionner avec des cadences très éle-
vées.
Ils possèdent une grande endurance électrique combinée avec
une grande endurance mécanique. Ils sont généralement utilisés
pour la commande de fours, de moteurs à haute tension ou d’équi-
pements industriels divers qui nécessitent des manœuvres fréquen-
tes.
Ils ne peuvent jamais être utilisés comme sectionneurs et ne res-
tent fermés que si leur bobine de commande est alimentée.
2.1.4 Coupe-circuit à fusibles
Les fusibles permettent d’interrompre automatiquement un cir-
cuit parcouru par une surintensité pendant un intervalle de temps
donné. L’interruption du courant est obtenue par la fusion d’un con-
ducteur métallique calibré.
Ils sont surtout efficaces pour la protection contre les courts-cir-
cuits, vis-à-vis desquels ils agissent, le plus souvent, en limiteurs de
la valeur crête du courant de défaut. Ils sont assez souvent généra-
teurs de surtensions à la coupure et exigent malheureusement
d’être remplacés après chaque fonctionnement.
En régime triphasé, ils n’éliminent que les phases parcourues par
un courant de défaut, ce qui peut présenter un danger pour le maté-
riel et le personnel. Leur calibre doit être bien adapté pour éviter un
fonctionnement intempestif en cas de surcharge momentanée.
Pour pallier cet inconvénient potentiel, les fusibles peuvent être
associés à des interrupteurs ou à des contacteurs avec lesquels ils
constituent des combinés capables d’assurer la protection en cas de
surcharges ou de court-circuits. Les combinés présentent, en outre,
l’avantage d’interrompre en triphasé en cas de fusion d’un seul ou
de deux fusibles.
2.1.5 Disjoncteurs
Un disjoncteur est destiné à établir, supporter et interrompre des
courants, sous sa tension assignée (tension maximale du réseau),
dans les conditions normales de service et dans les conditions anor-
males spécifiées (court-circuit, discordance de phases...).
C’est l’appareil de protection par excellence, capable d’une totale
capacité d’intervention sans provoquer de surtension excessive sur
le réseau. À un disjoncteur est très généralement associée une
« intelligence », système de protection et de relayage, détectant un
défaut et élaborant des ordres au disjoncteur pour éliminer automa-
tiquement le défaut ou pour remettre en service un circuit lorsque le
défaut présente un caractère fugitif ou a été éliminé par un autre dis-
joncteur.
Les disjoncteurs peuvent maintenant être équipés de matériels
électroniques permettant à tout moment de connaître leur état
(usure, pression de gaz pour la coupure...), ce qui permet à l’exploi-
tant de programmer les opérations de maintenance et éventuelle-
ment de détecter, par des dérives de caractéristiques, et de prévenir
un risque de défaillance. Ils peuvent aussi être équipés de disposi-
tifs de synchronisation des ordres de fermeture et d’ouverture pour
permettre de manœuvrer des lignes, des transformateurs, des réac-
tances ou des condensateurs, sans provoquer de surtensions ou de
courants d’appels susceptibles d’endommager les composants du
réseau. Tous les types de relais et de systèmes de protection peu-
vent lui être associés pour assurer, dans les meilleures conditions,
l’élimination des défauts qui surviennent dans les circuits qu’il pro-
tège.
2.1.6 Parafoudres
Les parafoudres sont des dispositifs statiques chargés de limiter,
en un point donné du réseau, l’amplitude des surtensions qui peu-
vent se produire. La limitation de surtension est faite en écoulant
l’énergie à la terre.
Ces surtensions peuvent être soit d’origine atmosphérique, c’est-
à-dire externes, soit consécutives à des manœuvres de l’appa-
reillage ou à des phénomènes de résonance, auquel cas elles sont
dites internes.
■Les appareils les plus simples sont les éclateurs qui présentent
cependant l’inconvénient de rester conducteurs après amorçage et
nécessitent donc l’intervention d’un disjoncteur pour l’élimination
du courant de défaut qui résulte de leur fonctionnement.
■Les appareils plus perfectionnés, tels les parafoudres à oxyde
métallique (ZnO par exemple) sans éclateur, sont connectés en
permanence au réseau car ils sont pratiquement isolants à la ten-
sion assignée. En cas de surtension, leur résistance devient tempo-
rairement très faible, mais ils redeviennent automatiquement
isolants dès que la tension retrouve sa valeur normale. Ce sont des
appareils très précieux, car ils jouent un rôle d’écrêteur sans entraî-
ner d’interruption de service.
2.2 Tension
La norme internationale CEI 60694 distingue deux domaines :
— la moyenne tension qui concerne les tensions supérieures à
1 kV et inférieures à 50 kV ;
Les constituants élémentaires que nous venons de définir
sont le plus souvent associés entre eux pour réaliser des fonc-
tions plus complexes, en vue d’assurer la protection et la dispo-
nibilité d’un ensemble de circuits.
Bien que les parafoudres ne fassent pas partie, à proprement
parler, de l’appareillage, il nous paraît important de les décrire
ici de manière succincte, car ils sont de plus en plus associés à
l’appareillage pour :
— limiter les surtensions en coupure de faibles courants
inductifs (§ 2.7.3 et [D 4 692], § 5.2.1) ;
— limiter les surtensions lors de l’enclenchement des lignes
longues [D 4 692], § 5.5).

17/09/2008
Madame, Monsieur
Dossier délivré pour
17/09/2008
Madame, Monsieur
Dossier délivré pour
___________________________________________________________________________________ APPAREILLAGE ÉLECTRIQUE D’INTERRUPTION HT (PARTIE 1)
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 4 690 − 5
— la haute tension qui concerne les tensions supérieures ou éga-
les à 50 kV.
Dans le texte, les appellations haute tension (HT) et moyenne ten-
sion (MT), utilisées dans le langage courant, sont employées. Toute-
fois les dénominations actuelles (UTE C 18 510) sont respectivement
HTB et HTA.
2.3 Destination
L’appareillage à haute tension est destiné à fonctionner dans trois
types de réseaux ou d’installations principaux :
— réseaux de répartition ou de transport ( ) ;
— réseaux de distribution (< 52 kV) ;
—installations industrielles (3,6 à 24 kV).
2.4 Installation
Selon sa possibilité d’installation, on distingue :
— le matériel pour l’intérieur, qui est destiné à être installé uni-
quement à l’intérieur d’un bâtiment, à l’abri des intempéries et de la
pollution, avec une température ambiante qui n’est pas inférieure à
− 5 ˚C (éventuellement − 15 ˚C ou − 25 ˚C) ;
— le matériel pour l’extérieur, qui est prévu pour être installé à
l’extérieur des bâtiments, et qui par suite doit être capable de fonc-
tionner dans des conditions climatiques et atmosphériques contrai-
gnantes (§ 2.6).
2.5 Type de matériel
Deux types de matériels sont distingués :
— le matériel ouvert, dont l’isolation externe est faite dans l’air
(figure 1 cf. [D 4 692], § 1.5) ;
— le matériel sous enveloppe métallique ou blindé, muni d’une
enveloppe métallique, reliée à la terre, qui permet d’éviter tout con-
tact accidentel avec les pièces sous tension (figure 2). Le disjoncteur
fait partie d’une cellule isolée au SF6 qui comprend les différents
organes nécessaires au fonctionnement du poste : disjoncteur, jeu
de barres, sectionneur de jeu de barres, sectionneur de terre, trans-
formateur de courant (cf. [D 4 590] Postes sous enveloppe métalli-
que ( PSEM )).
Il existe un type de disjoncteurs hybrides, dits «
Dead Tank », dont
l’isolation des parties actives est faite dans le SF6 à l’intérieur d’une
cuve métallique et dont le raccordement au réseau est fait par
l’intermédiaire de traversées isolantes (figure 3). Cette disposition
permet de placer les transformateurs de courant directement aux
bornes du disjoncteur, en des points qui ne nécessitent pas d’isola-
tion électrique.
2.6 Température de service
■L’appareillage est prévu pour fonctionner avec les températures
normales de service suivantes :
— la température maximale de l’air ambiant n’excède pas 40 ˚C et
sa valeur moyenne, mesurée pendant une période de 24 h, n’excède
pas 35 ˚C ;
— la température minimale de l’air ambiant n’est pas inférieure à
− 25 ˚C ou − 40 ˚C selon la norme CEI 60694.
D’autres valeurs de température minimale peuvent être exigées
dans des cas particuliers, telles que − 30 ˚C, suivant la norme ANSI
C 37.04 qui est applicable en Amérique du Nord, ou − 50 ˚C dans cer-
taines régions froides du Canada.
■Ces conditions de service ont une incidence importante sur la
conception, le dimensionnement et parfois la technique de coupure
utilisée pour les disjoncteurs.
●Le fonctionnement à très basse température entraîne, par
exemple, une limitation de la pression de remplissage des disjonc-
teurs SF6 pour éviter tout risque de liquéfaction du gaz. Par ailleurs,
des dispositions particulières doivent être prises pour permettre un
bon fonctionnement de l’organe de manœuvre (calorifugeage de la
cabine) ou garantir une bonne étanchéité de l’appareillage sous
pression (joints spéciaux).
●Le fonctionnement à haute température ambiante nécessite de
s’assurer que la température et l’échauffement des composants
n’excède pas les limites admissibles (§ 3 en [D 4 692]).
52 kV >
Figure 1 – Deux générations de disjoncteurs ouverts : 245 kV ;
40 kA ; 50 Hz (génération 1974 à gauche, génération 1984 à droite)
[réseau EDF, France]
Figure 2 – Disjoncteur sous enveloppe métallique : 420 kV ; 50 kA ;
50 Hz [Poste Meeden, Hollande]